宽禁带半导体技术最新进展

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引言

在过去的几年里，由于美国政府与商业部门的大力支持，宽禁带半导体技术进展迅速。尤其是２００２年美国国防先进研究计划局（ＤＡＲＰＡ）实施的宽禁带半导体技术计划（ＷＢＧＳＴＩ），成为加速改进ＳｉＣ、ＧａＮ以及ＡｌＮ等宽禁带半导体材料特性的重要“催化剂”。

该计划的目标有四个，即：生产４英寸高

质量ＳｉＣ基底；开发其他宽禁带半导体基底材料；研制一致性ＡｌＧａＮ／ＧａＮ高电子迁移率晶体外延生长技术；研究宽禁带半导体材料与器

件的相互关系。

该计划分三个阶段进行。在第一阶段（２００２～２００４年），市场销售ＳｉＣ基底的直径已由２英寸增加到３英寸；　２００６年４英寸ＳｉＣ基底可以商品化。第一阶段计划的成功实施为其顺利进行奠定坚实基础。第二阶段（２００５～２００７年）计划称作“射频应用宽禁带半导体计划”（ＷＢＧＳ－ＲＦ），其目的是利用宽带隙半导体材料制作并演示射频功率放大器，提高其功率附加效率、带宽以及功率密度，并最终实现ＧａＮ基高可靠、高性能微波与毫米波器件的大批量生产。第三阶段将在２００８～２００９年进行，将研制成功ＧａＮ基高可靠、高性能ＭＭＩＣ（微波集成电路），并在若干种模块中演示其应用。

第二阶段计划已于２００５年５月启动，并取得一定进展。下面介绍第二阶段计划目标及演示进展情况。

第二阶段计划目标

美国国防高级研究计划局射频应用宽禁

宽禁带半导体技术最新进展

Ｌａｔｅｓｔ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｗｉｄｅ　Ｂａｎｄｇａｐ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｆｏｒ　ＲＦ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｐｒｏｇｒａｍ

李耐和摘要：

介绍ＤＡＲＰＡ宽禁带半导体技术计划第二阶段计划目标及其演示进展情况。

关键词：ＧａＮ； ＳｉＣ； ＡｌＮ；　宽禁带半导体材料；　功率放大器

＊２００６年１１月２２日收到本文。李耐和：高级工程师。

表１　第二阶段宽带大功率放大器的演示目标

图１ Ｘ波段器件短期射频稳定性测试图

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在这项演示中，由ＴｒｉＱｕｉｎｔ半导体以及ＢＡＥ系统等公司组成的联合研制小组将演示功率放大器以及ＭＭＩＣ，其瞬时带宽超过１０倍（如从２ＧＨｚ到２０ＧＨｚ）。表１给出该演示的具体性能指标要求。随着计划的进展，承包商将达到或超越这些具体的继续／不继续（ＧＮＧ）里程碑。

ＴｒｉＱｕｉｎｔ半导体公司负责的研制小组取得的最新进展是：

演示器件漏偏压３５Ｖ，单元尺寸４００μ

ｍ，功率密度６．５　Ｗ／ｍｍ，ＰＡＥ　５８％，功率增益１１．７　ｄＢ；

漏偏压从３０Ｖ增加到４０Ｖ，ＰＡＥ＞６０％，

功率增益＞１２ｄＢ，功率密度＞７Ｗ／ｍｍ；

通过降低栅极泄漏、提高击穿电压以及

进一步降低缺陷密度而提高器件可靠性，只有充分理解失效的物理原理，这些手段才有可能变成现实；

对利用９个３英寸晶片制作的器件进行

的演示表明：在１０　ＧＨｚ时其最大稳定增益的射频一致性为０．９　ｄＢ；

提高可靠性是ＷＢＧＳ－ＲＦ计划第二阶段至关重要的目标，为此，需要对失效机理进行深刻的理解。为了改善直流与射频寿命测试可靠性，需要改变器件工艺与设计，这对实现有关目标非常关键。图１给出Ｖｄｓ＝３０Ｖ时的射频可靠性测试实例。从图１中可以看出，在１００小时的测试周期内，器件的输出功率波动在０．５　ｄＢ以内。

　Ｘ波段收发模块

ＷＢＧＳ－ＲＦ模块的特性通常要等于或者优于当前的收发（Ｔ／Ｒ）模块（能够在相同频段发射１０Ｗ等幅波输出）。雷声－Ｃｒｅｅ公司联合研究小组研制的功率放大器ＭＭＩＣ将满足表２中的性能指标要求。同前述研究相似，可靠性任务包括通过生长ＡｌＧａＮ化合物以及掺杂，最优化ＧａＮ盖层以及ＡｌＧａＮ肖特基层，从而减少栅极泄漏。掺铁ＧａＮ能够使缓冲区泄漏最小化，同时，改善的生长环境能够降低３英寸晶片的位错密度。最新器件拓扑结构以及工艺的优化，

图２ Ｘ波段器件（样本）的射频性能

表２　第二阶段Ｘ波段器件的演示目标

带半导体材料计划第二阶段计划是一项全面计划，其目的是设计、制作与演示具有高性能、高可靠性以及成本可承受的宽禁带半导体器件。具体的计划目标是：

演示可制造以及可生产的宽禁带半导体器件以及单片ＭＭＩＣ制作工艺；

演示的宽禁带半导体器件以及ＭＭＩＣ不

仅可以生产，可靠性高，而且性能绝对优于基于ＧａＡｓ的微波／毫米波器件以及ＭＭＩＣ；

理解宽禁带半导体器件的降级机理，研

制鲁棒、高可靠的宽禁带半导体器件以及ＭＭＩＣ；

为了准确地预测宽禁带半导体器件的射频性能，开发并使用物理模型； 通过热扩散以及冷却，演示出众的热量

管理策略。

演示结果

为了演示宽禁带半导体器件以及ＭＭＩＣ的普遍适用性，该计划由３个小组分别进行演示。这三个小组分别制作并演示有关器件。下面介绍演示器件性能及结果。

宽带大功率放大器

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使得器件的射频性能得到明显改善（见图２）。

需要指出的是，Ｘ波段收发模块宽带大功率放大器在热量管理方面仍面临两个挑战，即：准确地测定结温以及解决因ＧａＮ热膨胀带来的阻抗失配问题。

Ｑ波段大功率放大器

这项演示由诺斯罗普?格鲁曼空间技术公司负责，其目的是开发高性能、高可靠的Ｑ波段器件，其性能指标要求参见表３。在第二阶段，将通过材料最优化制作Ｑ波段功率放大器器件；材料性能将超越第一阶段，如缺陷控制、杂质控制、缺陷扫描、基于建模的缺陷物理学理解以及器件设计。图３给出Ｑ波段器件的测试结果。

结语

随着美国国防高级研究计划局宽禁带半导体技术计划的进展，能够生产宽禁带材料、

器件、ＭＭＩＣ以及Ｔ／Ｒ模块的大量制作设施必将问世。应用宽禁带半导体器件，不仅会明显改善雷达、智能武器、电子对抗系统以及通信系统等众多军用系统的性能，也将使民用产品

受益匪浅，而且民品大量采用宽禁带半导体器件后，还将有助于其扩大产量以及降低成本。

参考文献：

１．　李耐和，宽禁带半导体技术，电子产品世界，

２００５年９月

２．　Ｍａｒｋ　Ｒｏｓｋｅｒ１等，Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｆｒｏｍ

Ｐｈａｓｅ　ＩＩ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｗｉｄｅ　Ｂａｎｄｇａｐ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ

ｆｏｒ　ＲＦ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（ＷＢＧＳ－ＲＦ）Ｐｒｏｇｒａｍ，温哥华，化合物半导体制造技术会议，２００６年４月

图３ Ｑ波段器件（样本）的射频性能

表３　第二阶段Ｑ波段器件的演示目标